邱清泉兵团在坦克、大炮支援和飞机掩护下，连续猛攻两天，却未能冲破解放军的防御阵地，邱清泉开始感到大祸临头，骄横之气被一扫而光。12月6日，邱清泉拉着孙元良、李弥去见杜聿明，请求突围。4人经过一番研究之后，作出了当日黄昏各兵团同时自行向淮河以南突围的决定。然而，李弥和邱清泉回到兵团后，都感到包围圈太强大，突围无望，取消了自行突围的决定。当晚，只有孙元良自行率第16兵团突围。结果，除孙元良一个人化装穿便衣侥幸逃出包围圈外，第16兵团大部都被解放军歼灭，残部又被迫缩回到包围圈内。

第16兵团突围失败后，杜聿明下令第2兵团和第13兵团就地死守，等待蒋介石施法救援。这时，陷入重围的杜聿明集团还只剩下8个军，被解放军包围在以陈官庄为中心的南北宽5公里、东西长10公里的狭小地区，杜聿明集团彻底陷入外无援兵、内缺粮弹的绝境。

此时，华北战场已发起平津战役，为了稳住和全歼傅作义集团于华北战场。毛泽东着眼于战争全局，决定对杜聿明集团围而不攻，不作最后歼灭。华野包围杜聿明集团的各纵队，12月于16日起转入战地休整。

12月20日开始，冷空气突降淮北平原，战区内天寒地冻，风雪交加。国民党军的空运十分困难，偶尔空投到的食品，引起官兵互相争夺以至互相残杀。许多官兵宰杀骡马充饥，大批伤员冻死饿死无人问津，阵地上一片惨象。蒋介石在万般无奈下，于1949年1月3日下令杜聿明冒险突围，突围时间定为1月9日，届时蒋介石派飞机向解放军阵地施防毒气，掩护突围。

然而，没等杜聿明开始突围，我军就抢先发起了总攻。1949年1月2日，粟裕发布了攻击杜聿明集团的总攻命令。1月6日15时30分，各部队同时向杜聿明集团发起总攻。当晚即攻克敌人13个据点，歼敌1万余人。7日，我军又攻克李弥兵团驻地青龙集的20多个据点，歼灭其主力及邱清泉兵团的七十二军大部。李弥率残部逃往邱清泉兵团防区。9日晚，我军以更猛烈的炮火在夜色中再次发起强大的攻击，战斗十分激烈。杜聿明集团残部在飞机的掩护下，施放毒气，企图夺路向西逃窜。我攻击部队以猛打猛冲的动作，插入敌指挥中心陈官庄阵地。残敌失去指挥，完全陷入混乱状态，纷纷放下武器投降。杜聿明带着副官、卫士10余人单独行动，凌晨时全部被我军俘获。邱清泉带着随从副官从陈官庄逃出来后，神经失常，到处乱窜，高声大叫“共产党来了！共产党来了！”天亮时被一阵乱枪打死。只有李弥化装逃了出去。

至10日下午16时，杜聿明集团全部被歼灭。震惊中外的淮海战役以我军的彻底胜利而宣告结束。